甲苯分子系间窜越过程的时间分辨电子动量谱学研究

The investigation of the electronic structure and dynamics of molecular excited states is of great importance both in fundamental physics and potential chemical applications. This project intends to study the intersystem crossing process (from S1 state to T1 state) of the toluene molecule by using the newly built time-resolved electron momentum spectrometer together with quantum chemistry calculations. Measuring the ionization energy spectrum and electron momentum distributions at different delay time, we obtain the image of the evolution of the electron cloud, realizing experimental measurement on the evolution of molecular excited states by time-resolved electron momentum spectroscopy.

无论从基础研究还是从潜在化学应用的角度，对分子激发态的电子结构和演化机制的研究都很重要。本项目拟利用新研制的时间分辨电子动量谱仪结合量子化学计算方法对甲苯分子从单重态激发态S1态到三重态T1态的系间窜越过程进行研究。实验测量动力学演化过程中不同时间延迟下分子激发态的电离能谱和动量空间电子密度分布，从而得到甲苯分子从S1态到T1态的系间窜越过程中电子云演化的图像，实现分子激发态演化全过程的时间分辨电子动量谱学实验测量。

物质的微观结构，特别是原子核的空间排布和电子的密度分布，决定了其物理和化学性质。得益于泵浦-探测技术，人们已经可以从微观尺度上观测分子体系电子云的演化、分子结构的变化以及化学键的形成和断裂等过程，超快分子动力学研究取得了飞速的发展。电子动量谱学是一种独特的研究原子分子电子结构的实验手段，可以获得分子轨道的电离能和动量空间电子密度分布。将泵浦-探测技术引入电子动量谱学，就得到了研究分子激发态演化过程的全新实验方法——时间分辨电子动量谱学。它能提供更加直接的分子激发态演化过程中电子云变化的信息。本项目研究内容是优化项目组新研制的时间分辨电子动量谱仪，并研究分子激发态的演化过程。在项目的资助下，我们大幅度提高了时间分辨电子动量谱仪的探测效率，发展了计算分子激发态电离截面的理论方法，并对甲苯和碘甲烷分子激发态的进行了理论和实验探究，展示了时间分辨电子动量谱仪对分子激发态演化过程的测量的能力，为超快分子动力学的研究提供全新的图景，也给这些给未来皮秒甚至飞秒时间分辨电子动量谱仪的研发打下了坚实的基础。